梁志強(qiáng)，李弘，唐金良

（中國(guó)石化石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 210014）

0 引言

斷裂及其控制的裂縫發(fā)育帶本身就是重要的儲(chǔ)油氣空間，從疊后地震剖面上可以看出，沿著斷裂帶的分布常常發(fā)育著許多“串珠狀”的縫洞型儲(chǔ)層［1-2］。同時(shí)，斷裂和裂縫發(fā)育帶為埋藏期溶蝕性流體提供了運(yùn)移通道，沿?cái)嗔鸭捌淞芽p帶發(fā)育著大量溶蝕縫，這對(duì)巖溶儲(chǔ)層發(fā)育有十分重要的作用。實(shí)際鉆井證實(shí)，斷裂及其裂縫發(fā)育帶是高產(chǎn)井和穩(wěn)產(chǎn)井的重要分布區(qū)域［3-4］。傳統(tǒng)斷裂-裂縫識(shí)別方法包括相干類屬性［5］、曲率類屬性［6-7］及螞蟻體屬性［8］等。這些屬性都是基于地震同相軸上的“錯(cuò)斷”或者“彎曲”變形來(lái)預(yù)測(cè)斷裂-裂縫的空間發(fā)育形態(tài)，在勘探初期對(duì)于斷裂-裂縫的識(shí)別起到了較好的效果［9］，但是隨著油氣田勘探開(kāi)發(fā)程度越來(lái)越高，單純依靠傳統(tǒng)單一屬性方法已無(wú)法滿足油田“少打井，打高產(chǎn)井”的高效開(kāi)發(fā)需求［10］。

本文以某走滑斷裂的巖溶縫洞型油藏為例，以高精度三維疊后地震資料為基礎(chǔ)，開(kāi)展多尺度相干、多尺度曲率、地震張量、螞蟻體、likelihood屬性（最大似然估計(jì)）等進(jìn)行組合，從斷裂帶的長(zhǎng)度、寬度、走向、邊界、內(nèi)幕等方向開(kāi)展了應(yīng)用研究，顯著提升了斷裂及其裂縫發(fā)育帶的外部輪廓和內(nèi)幕結(jié)構(gòu)的有效識(shí)別精度，具有重要的借鑒和推廣意義。

1 基本思路

斷裂帶又稱為斷層帶，其地質(zhì)要素包括斷層面、斷層線、斷盤(pán)、斷距等［11-13］。斷裂及其裂縫發(fā)育帶在常規(guī)的地震屬性上（如振幅變化率、相干等屬性）都有不同程度展示［4］，但是對(duì)斷裂帶的三維精確刻畫(huà)和儲(chǔ)層內(nèi)幕的有效識(shí)別仍需開(kāi)展進(jìn)一步的研究。按照地震的可識(shí)別程度，把斷裂帶的識(shí)別分為長(zhǎng)度、寬度、方向、邊界、內(nèi)幕等特點(diǎn)，把所有的信息按照三維空間綜合展布，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)斷裂及其裂縫發(fā)育帶的三維綜合刻畫(huà)（見(jiàn)圖1）。

圖1 斷裂及其裂縫發(fā)育帶的精細(xì)刻畫(huà)技術(shù)流程

在三維疊后地震數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以強(qiáng)反射分離（去除）為解釋性處理手段，以相干屬性為斷裂及其裂縫發(fā)育帶的基本屬性，開(kāi)展多尺度曲率參數(shù)優(yōu)選、方位螞蟻體、likelihood等屬性的計(jì)算和組合，得到斷裂帶的寬度、方位、長(zhǎng)度及精確的邊界。具體的創(chuàng)新性做法是：以相干的邊界為約束，開(kāi)展多尺度曲率參數(shù)的優(yōu)選，得到準(zhǔn)確的斷裂地震寬度；以相干屬性的斷裂帶發(fā)育方位為標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展疊前方位疊加體的螞蟻體計(jì)算和優(yōu)選，得到以螞蟻體屬性刻畫(huà)的斷裂帶的走向和長(zhǎng)度；開(kāi)展基于地質(zhì)認(rèn)識(shí)下的likelihood屬性計(jì)算和參數(shù)優(yōu)選，得到精確的斷裂帶邊界；開(kāi)展地震張量等多屬性組合，實(shí)現(xiàn)斷裂帶縫洞儲(chǔ)層內(nèi)幕的識(shí)別。本研究形成了一套斷裂及其裂縫發(fā)育帶的三維空間刻畫(huà)技術(shù)，為類似斷裂-裂縫發(fā)育帶的精細(xì)識(shí)別和雕刻提供指導(dǎo)和借鑒。

阿克庫(kù)勒凸起為下古生界奧陶系碳酸鹽巖大型褶皺-侵蝕型潛山，在凸起部位的主體區(qū)，大量發(fā)育產(chǎn)狀不規(guī)則、延伸較短的小斷裂；海西早期在南北向的壓扭應(yīng)力作用下，阿克庫(kù)勒北東向鼻狀凸起進(jìn)一步發(fā)育，并形成了阿克庫(kù)木、阿克庫(kù)勒等近東西走向的背沖斷裂及與之相配套的北東和北西向剪切斷裂。研究表明，斜坡區(qū)內(nèi)幕巖溶儲(chǔ)層發(fā)育類型為斷控巖溶儲(chǔ)層［14-18］。

2 斷裂及其裂縫發(fā)育帶的精細(xì)刻畫(huà)

2.1 強(qiáng)反射去除

對(duì)于斷裂及其裂縫發(fā)育帶的精細(xì)刻畫(huà)，最重要的地質(zhì)要素即為斷裂帶邊界的確定。在地質(zhì)要素中斷裂帶的邊界被表述為斷層面，常規(guī)的大型斷層面采用構(gòu)造解釋的辦法即可獲取，但是對(duì)于復(fù)雜的斷裂帶，尤其是塔河這種被上層巖溶影響的復(fù)雜斷裂帶，常規(guī)的構(gòu)造解釋很難獲取到太多有用的信息；因此，開(kāi)展強(qiáng)反射去除的解釋性處理，以得到斷裂帶及其裂縫發(fā)育帶的精確刻畫(huà)。

強(qiáng)反射去除的核心技術(shù)是利用匹配追蹤算法，以輸入層位為基準(zhǔn)，根據(jù)最佳匹配準(zhǔn)則匹配局部最優(yōu)子波。局部最優(yōu)子波的時(shí)窗長(zhǎng)度都由局部實(shí)際信號(hào)來(lái)確定，最優(yōu)子波代表了信號(hào)的局部特征。在現(xiàn)有方法技術(shù)基礎(chǔ)上，加入變分離系數(shù)作為約束，優(yōu)化計(jì)算流程，通過(guò)強(qiáng)反射壓制后，突出了斷裂帶內(nèi)幕的儲(chǔ)層特征，儲(chǔ)層屬性刻畫(huà)更加清晰［19］。

算法基本表達(dá)式：

式中：f為希爾伯特空間里的任意信號(hào)；＜f，gγ0＞為原始信號(hào)f與第1次迭代時(shí)所選奇函數(shù)的內(nèi)積；R1f為第1次迭代后所產(chǎn)生的殘差。

由圖2可以看出，在塔河等強(qiáng)斷裂帶區(qū)域，強(qiáng)反射分離的重要作用就是把強(qiáng)反射同相軸的影響消除，進(jìn)而得到清晰、準(zhǔn)確的溶洞邊界。

圖2 強(qiáng)反射去除前后的剖面

由圖2c也可以發(fā)現(xiàn)，由于強(qiáng)反射分離的結(jié)果，溶洞的邊界被大大增強(qiáng)了，在整個(gè)地震剖面上也清晰了許多，這對(duì)后續(xù)的曲率、相干或者likelihood等地震屬性的檢測(cè)是有利的。

2.2 斷裂及其裂縫發(fā)育帶的邊界

likelihood屬性（L）是建立在最大似然原理的基礎(chǔ)上的一個(gè)統(tǒng)計(jì)方法，是概率論在統(tǒng)計(jì)學(xué)中的應(yīng)用。技術(shù)思路是：將原始地震數(shù)據(jù)沿著一組走向和傾角，計(jì)算每一點(diǎn)最低的相似度，計(jì)算同相軸連續(xù)性。它對(duì)小斷層及裂縫有很好的識(shí)別能力，原理［20］為

式中：Sem為以突出斷裂識(shí)別為導(dǎo)向的相似性屬性，范圍0～1。

Sem的具體公式為

式中：g為三維地震數(shù)據(jù)體；（·）s為對(duì)括號(hào)內(nèi)地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行構(gòu)造導(dǎo)向平滑；[·]f為沿?cái)嗔炎呦颉A向再進(jìn)行一次濾波。

算法優(yōu)勢(shì)主要為：原始地震數(shù)據(jù)包含了傾角、方位角等信息，可對(duì)每一個(gè)包含傾角、方位角信息的采樣點(diǎn)計(jì)算其相似性值；對(duì)每一個(gè)點(diǎn)只保留最小的相似性值（稱之為最大似然體）及對(duì)應(yīng)的傾角、方位角值；針對(duì)相似性作全區(qū)歸一，使之更能夠反映斷層的線性關(guān)系。

likelihood的結(jié)果就是裂縫的最大可能發(fā)育的區(qū)域，其計(jì)算數(shù)值的大小代表了裂縫在整個(gè)三維空間中不同方向、傾向、傾角上的最大可能。在計(jì)算流程中選擇疊后高精度地震數(shù)據(jù)開(kāi)展空間掃描（傾角掃描區(qū)域?yàn)?°～90°，走向角掃描區(qū)域?yàn)?°～360°），進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)三維地震中所有可能裂縫的likelihood值。

由圖3可以看出：likelihood值刻畫(huà)了斷裂帶的邊界，斷裂從底部向上一直穿過(guò)上層石灰?guī)r的強(qiáng)同相軸區(qū)域，在空間上進(jìn)一步向上延伸。在石灰?guī)r下部的縫洞發(fā)育區(qū)，likelihood檢測(cè)的邊界與溶洞強(qiáng)振幅產(chǎn)生的地震邊界基本相同，并且把各個(gè)地層中發(fā)育的溶洞邊界均進(jìn)行了連接，甚至檢測(cè)到延伸至斷裂帶深層縫洞儲(chǔ)集體的邊界。

圖3 地震剖面及斷裂帶的邊界刻畫(huà)展示

將三維疊后地震數(shù)據(jù)體沿著likelihood屬性的大致邊界進(jìn)行切割，只留下斷裂帶內(nèi)的地震數(shù)據(jù)，即可得到斷裂及其裂縫發(fā)育帶的三維空間數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖4）。

圖4 斷裂及其裂縫發(fā)育帶的三維展示

2.3 斷裂及其裂縫發(fā)育帶的寬度

斷裂帶的寬度，不僅僅是2個(gè)斷層面之間的距離，還包括斷裂帶內(nèi)巖石的破碎帶的寬度。它取決于斷裂的規(guī)模大小、活動(dòng)地質(zhì)時(shí)期、活動(dòng)的方式及其受力狀態(tài)和性質(zhì)等，一般從幾米至幾百米不等。

一般而言，壓性或壓扭性斷裂帶比單純剪切性質(zhì)的斷裂帶要寬。在一些大型的斷裂帶內(nèi)，由于被不同地質(zhì)時(shí)期各個(gè)方向的力擠壓或者拉伸，整個(gè)斷裂及其裂縫發(fā)育帶會(huì)變得更加錯(cuò)綜復(fù)雜。

塔河的走滑斷裂由于巖溶發(fā)育，相干、振幅變化率等屬性所展示的平面結(jié)果大多是巖溶的縫洞、古河道的邊界，非真正的斷裂帶邊界。為此，開(kāi)發(fā)了基于相干約束的多尺度曲率屬性技術(shù)，得到了斷裂及其裂縫帶的真實(shí)地震寬度。

多尺度曲率算法是在多譜體曲率屬性的計(jì)算中引入了波數(shù)域的分?jǐn)?shù)階微分形式Dx，基本原理［21-22］為

式中：u（x）為輸入的地震信號(hào)；F（）為傅里葉變換；kx為復(fù)波數(shù)；i為；T（ kx）為頻率波數(shù)域的高通濾波；α為不同空間波數(shù)域尺度因子。

隨著空間波數(shù)域尺度因子變化，多尺度曲率刻畫(huà)斷層、儲(chǔ)層巖性邊界及內(nèi)部特征尺度也有所不同［10］，多尺度曲率的平面及剖面計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 多尺度曲率的沿層切片計(jì)算結(jié)果

圖6 多尺度曲率剖面計(jì)算結(jié)果

以本征相干得到的斷裂帶的大致寬度為約束，開(kāi)展多尺度曲率屬性的計(jì)算，得到一組不同尺度的曲率計(jì)算結(jié)果，優(yōu)選與斷裂的相干屬性寬度最接近的一組結(jié)果，記為多尺度曲率中的曲率最優(yōu)解，即曲率計(jì)算結(jié)果得到的寬度為斷裂帶的真實(shí)寬度（見(jiàn)圖7）。需要指出，該斷裂帶的寬度為地震響應(yīng)下的寬度，真實(shí)的地質(zhì)寬度與地震寬度存在一定的校正系數(shù)［1］。

圖7 相干邊界約束

2.4 斷裂及其裂縫發(fā)育帶的走向和長(zhǎng)度

斷裂帶的走向是描述斷裂整體發(fā)育狀態(tài)的一個(gè)重要地質(zhì)要素，實(shí)現(xiàn)斷裂帶在三維空間的走向刻畫(huà)，需要刻畫(huà)出斷層面的走向、傾向和傾角，也需要刻畫(huà)出斷層線的延伸走向，斷裂帶的長(zhǎng)度是在工區(qū)范圍內(nèi)的延伸長(zhǎng)度。由圖8可以大致發(fā)現(xiàn)，走滑斷裂帶整體呈X形發(fā)育，在工區(qū)主要存在北東向和北西向2組斷裂。為了更加精確刻畫(huà)斷裂的走向和長(zhǎng)度，引入了方位螞蟻體。

圖8 斷裂帶的大致走向

螞蟻?zhàn)粉櫵惴ㄊ撬箓愗愔x公司發(fā)明的一種基于分析地震同相軸“錯(cuò)斷”的斷裂-裂縫檢測(cè)算法。它克服了常規(guī)斷裂解釋中人為想象的主觀性，提高了斷裂解釋的精度，并且大幅縮短了斷裂解釋的時(shí)間。

為了進(jìn)一步突出北東向和北西向X形斷裂的特征，將傳統(tǒng)的疊后數(shù)據(jù)體上的螞蟻計(jì)算拓展到疊前方位體上。為了保證數(shù)據(jù)計(jì)算的質(zhì)量和精度，在OVT疊前時(shí)間偏移道集的基礎(chǔ)上開(kāi)展方位數(shù)據(jù)體的疊加：分別選擇方位角從60°～80°的疊前道集，疊加為方位角70°的疊加數(shù)據(jù)，方位角120°～140°的疊前道集疊加為方位角130°的疊加數(shù)據(jù)；在不同方位的OVT疊加體上開(kāi)展螞蟻屬性的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9；最后，將方位角70°的螞蟻體與方位角130°的螞蟻體鏤空疊加，即可得到斷裂帶的真實(shí)走向及長(zhǎng)度。

圖9 不同方位角度螞蟻體

2.5 斷裂及其裂縫發(fā)育帶的內(nèi)幕

斷裂帶內(nèi)幕中小裂縫的預(yù)測(cè)，可以采用多尺度相干的辦法［23-27］，基本原理為

式中：aj，l為分析系數(shù)；j，l分別代表尺度和方向；k為裂縫的粗細(xì)程度；w為正常的數(shù)學(xué)表達(dá)，與傅里葉系數(shù)中的數(shù)學(xué)表達(dá)相同，通用符號(hào)（為函數(shù)f∈L2在頻率域的表示；Sj，l為具有方位特性的地震數(shù)據(jù)體；（w）為Curvelet變化的楔形基；b為離散值。

對(duì)具有方位特性的地震數(shù)據(jù)體開(kāi)展本征相干計(jì)算，就可以得到反映不同尺度的相干體，其中小尺度的相干體即可反演斷裂帶內(nèi)幕的小裂縫（見(jiàn)圖10）。

圖10 斷裂及其裂縫發(fā)育帶的內(nèi)幕刻畫(huà)

對(duì)于斷裂帶內(nèi)幕中縫洞的預(yù)測(cè)，最有效的屬性就是結(jié)構(gòu)張量［25-26］。對(duì)于在x，y，z三維空間的地震數(shù)據(jù)體，其結(jié)構(gòu)張量S可以表示為

式中：Ix，Iy，Iz分別為地震數(shù)據(jù)I沿x，y，z方向的偏導(dǎo)。

對(duì)式（6）中的張量矩陣S進(jìn)行特征值分解，即可得到特征值λ1，λ2，λ3［27］。將斷裂及其裂縫發(fā)育帶的邊界、寬度、走向及內(nèi)幕等進(jìn)行融合，最終得到該斷裂及其裂縫發(fā)育帶的三維空間雕刻結(jié)果（見(jiàn)圖11）。

圖11 斷裂及其裂縫發(fā)育帶的三維空間雕刻結(jié)果

3 結(jié)論

1）基于強(qiáng)反射分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層特征的強(qiáng)化，采用likelihood屬性實(shí)現(xiàn)了斷裂及其裂縫發(fā)育帶三維邊界的大致空間刻畫(huà)。

2）采用本征相干進(jìn)行空間約束，對(duì)多尺度曲率屬性的尺度算子進(jìn)行優(yōu)選，準(zhǔn)確描述了斷裂及其裂縫發(fā)育帶的地震寬度。

3）在疊前方位疊加體的基礎(chǔ)上，開(kāi)展方位屬性螞蟻體的計(jì)算與優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)了斷裂及其裂縫發(fā)育帶的走向和長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)。

4）結(jié)構(gòu)張量屬性可以用來(lái)描述斷裂及裂縫帶的內(nèi)幕溶洞信息，也可以使用多尺度相干來(lái)預(yù)測(cè)內(nèi)幕小裂縫的發(fā)育情況。

5）采取不同的技術(shù)組合手段實(shí)現(xiàn)了斷裂-裂縫帶的三維空間預(yù)測(cè)。這是后期溶洞儲(chǔ)層的精確識(shí)別、鉆井開(kāi)發(fā)中的斷裂帶邊界預(yù)警、斷裂及其裂縫發(fā)育帶的連通性分析、不同類型儲(chǔ)層的綜合地質(zhì)建模及油藏模擬的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。